Πειραματισμός και εκπαιδευτικές μέθοδοι στη σύγχρονη φυσική

Abstract

This doctoral thesis is situated within the scientific field of Physics Education Research (P.E.R.). The aim of our research is to improve the effectiveness of real and practical (hands-on) experimental teaching of Physics, according to the findings of recent, international research tendencies in our field of interest, as well as to introduce an active approach to learning through applying a learning-by-doing (LBD) method. Qualitative and quantitative research conducted in this doctoral thesis shows that students profit significantly by applying such teaching methodologies, starting from primary school and all the way to the higher educational level, as far as the understanding of natural laws and principles is concerned, both by male and female students, as well as by male and female physics educators. More specifically, our work extensively studies the introduction of scientific methodology and scientific thinking in education through actual physics experiments utilizing simple materials. As mentioned above, our research is intentionally and systematically connected to all educational levels: from primary to university education, lifelong learning, and the training of physics and science educators or schoolteachers, as well as in education through Massive Open Online Courses (MOOCs).Our thesis highlights specific difficulties that students face in the context of the school laboratory and the various challenges they encounter in their efforts to understand the basic laws and principles of modern science. According to the arguments presented in this work, the creation of innovative educational scenarios and modern projects in Physics at the compulsory education level, as well as teaching natural sciences through interactive learning strategies, are important and should become the new standard in Physics education. Our research also confirms the hypothesis that age is not a barrier to experimental teaching of classical and modern Physics, as long as the teaching methods applied are able to bypass the use of complex mathematical equations and computational procedures. When we introduced the proposed experiments to male and female students, we observed impressive receptivity to the laws of Physics; correspondingly, students are more eager to interpret complex scientific models when these are introduced to them through actual, hands-on experiments. This doctoral research also shows that the basic principles of electrical circuits and electromagnetism can be taught more effectively through a hands-on approach than a purely theoretical one. Overall, this thesis highlights the importance of innovative and interactive teaching methodologies in enhancing students’ learning experiences and their understanding of the principles of Physics.Teaching modern topics in Physics through hands-on experiments with simple materials in the laboratory has been shown to cultivate critical thinking and can help students to acquire a satisfactory level of understanding of fundamental physical laws and principles, regardless to the pupils’ previous knowledge, according to the initial research hypothesis. The student who "does science," as shown in our research project, conquers scientific adequacy through real, novel experiences in the lab and through the difficulties encountered during experimentation and any actual attempts to resolve them.At the end of the work, we present our research conclusions and analyze some educational scenarios for teaching Physics through experiments with simple, everyday materials. Additionally, we sketch out the contribution of this work to the field of Physics Education Research, along with future research proposals that emerged during the procedure, as well as other future directions for research in our field of interest.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εγγράφεται στο επιστημονικό πεδίο της Έρευνας στην Εκπαίδευση της Φυσικής (P.E.R.). Στόχος της έρευνάς μας είναι η βελτίωση της αποτελεσματικότητας της πραγματικής και πρακτικής (hands-on) πειραματικής διδασκαλίας της Φυσικής, σύμφωνα με τα δεδομένα των διεθνών ερευνών στο πεδίο ενδιαφέροντος της εργασίας, καθώς και η εισαγωγή της ενεργητικής μάθησης μέσα από τη μέθοδο Learning-by-doing (LBD). Η ποιοτική και ποσοτική έρευνα δείχνει, για όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης, σημαντική βελτίωση στην κατανόηση των φυσικών νόμων και αρχών, τόσο από τους μαθητές και τις μαθήτριες, όσο και από τους φοιτητές και τις φοιτήτριες καθώς και τους καθηγητές των φυσικών επιστημών. Ειδικότερα, στην εργασία μας μελετάται σε βάθος ως εκπαιδευτική μέθοδος η εισαγωγή της επιστημονικής μεθοδολογίας και του επιστημονικού τρόπου σκέψης στην εκπαίδευση μέσα από πραγματικά πειράματα φυσικής με απλά υλικά. Η έρευνα διαχέεται σκόπιμα και μεθοδικά σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης: ¬από τη σχολική ως την Πανεπιστημιακή εκπαίδευση, τη δια βίου εκπαίδευση και επιμόρφωση καθηγητών και δασκάλων φυσικής και φυσικών επιστημών, καθώς και στην εξ αποστάσεως εκπαίδευση μέσω Μαζικών Ανοικτών Διαδικτυακών Μαθημάτων (MOOCs - Massive Open Online Courses).Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναδεικνύει τις πραγματικές δυσκολίες που αντιμετωπίζουν οι μαθητές και οι μαθήτριες στο πλαίσιο του εργαστηρίου Φυσικής και τις ποικίλες δυσχέρειες που συναντούν στην προσπάθειά τους να κατανοήσουν τους βασικούς νόμους και τις αρχές της σύγχρονης επιστήμης. Η δημιουργία καινοτόμων παιδαγωγικών προτάσεων και έργων σύγχρονης φυσικής στο επίπεδο της υποχρεωτικής εκπαίδευσης, καθώς και η διδασκαλία των φυσικών επιστημών μέσω διαδραστικών στρατηγικών μάθησης είναι, σύμφωνα με την επιχειρηματολογία της ανά χείρας εργασίας, σημαντικό να αποτελέσει τον νέο κανόνα στην εκπαίδευση της φυσικής. Η έρευνά μας επιβεβαιώνει την υπόθεσή ότι η ηλικία δεν αποτελεί εμπόδιο για την πειραματική διδασκαλία της κλασικής και της σύγχρονης φυσικής, οσάκις αυτή συμβαίνει παρακάμπτοντας, κατά το δυνατόν, τη χρήση σύνθετων μαθηματικών εξισώσεων και πολύπλοκων υπολογιστικών διαδικασιών. Κατά την εφαρμογή των προτεινόμενων πειραμάτων σύγχρονης φυσικής σε μαθητές και μαθήτριες, παρατηρείται ότι εμφανίζονται εντυπωσιακά δεκτικοί στους νόμους της φυσικής που κρύβουν πολύπλοκα φυσικά φαινόμενα και αντίστοιχα δεκτικοί στην ερμηνεία σύνθετων επιστημονικών μοντέλων. Η διδακτορική έρευνα δείχνει, επίσης, ότι οι βασικές αρχές των ηλεκτρικών κυκλωμάτων και του ηλεκτρομαγνητισμού μπορούν να διδαχθούν μέσα από ένα πρακτικό εργαστήριο πειραμάτων σύγχρονης φυσικής με απλά υλικά και να ενταχθούν στο αναλυτικό πρόγραμμα σπουδών των φυσικών επιστημών στην υποχρεωτική εκπαίδευση.Η διδασκαλία σύγχρονων θεμάτων Φυσικής, μέσω των hands-on εργαστηρίων με απλά υλικά, αποδεικνύεται ερευνητικά ότι καλλιεργεί τον επιστημονικό τρόπο σκέψης και την κριτική ικανότητα στους διδασκόμενους και ότι, πράγματι, οδηγεί στην ικανοποιητική κατανόηση των θεμελιωδών φυσικών νόμων και αρχών, ανεξαρτήτως του γνωστικού υποβάθρου, σύμφωνα με την αρχική ερευνητική υπόθεση. Ο διδασκόμενος που «κάνει επιστήμη», όπως αποδεικνύεται στην εν λόγω ερευνητική προσπάθεια, αποκτά επιστημολογική επάρκεια μέσα από τις πραγματικές, πρωτόγνωρες εργαστηριακές εμπειρίες και μέσα από τις δυσκολίες που συναντά κατά τον πειραματισμό και τις απόπειρες επίλυσής τους.Στο τέλος της εργασίας, εκτίθενται συνοπτικά τα συμπεράσματα της εκπονηθείσας έρευνας και αναλύονται προτάσεις για την εκπαίδευση στην πειραματική φυσική, μέσα από τα πειράματα με απλά υλικά. Παρουσιάζεται, επίσης, η συμβολή της εργασίας στο πεδίο της Έρευνας στην Εκπαίδευση της Φυσικής, μαζί με μελλοντικές ερευνητικές προτάσεις που προέκυψαν κατά τη διδακτορική έρευνα, καθώς και προτεινόμενες κατευθύνσεις για την έρευνα στο πεδίο ενδιαφέροντος της διατριβής εν γένει.